利索能及
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专利号: 2019104244169
申请人: 合肥工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法,其特征在于,用于对定位区域内的UWB移动标签的进行定位,定位区域为不共线布置的三个基站的通信范围的交集,该三个基站分别为主基站、第一从基站和第二从基站,包括:根据所述三个基站的布置位置,确定所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离;

利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧,获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息;

根据所述时间戳信息,计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离dMA,T;

利用所述时间戳信息、所述dMA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离,计算所述UWB移动标签的坐标,并发送至所述三个基站处,包括:

计算所述UWB移动标签从所述第一从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值ΔdA1,MA:

ΔdA1,MA=c×tdoaA1,MA,其中,tdoaA1,MA=treplyMA-treplyA1kMA,A1+dMA,A1/c, treplyA1=b2-b1,表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息;tsynA1=b3-b1,表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息,dMA,A1表示所述主基站到第一从基站的距离,kMA,A1表示主基站对于第一从基站的时钟漂移比例系数;

计算所述UWB移动标签从所述第二从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值ΔdA2,MA:

ΔdA2,MA=c×tdoaA2,MA,其中,tdoaA2,MA=treplyMA-treplyA2kMA,A2+dMA,A2/c, treplyA2=c2-c1,表示第二从基站接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息;tsynA2=c3-c1,表示所述第二从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息,dMA,A2表示所述主基站到第二从基站的距离,kMA,A2表示主基站对于第二从基站的时钟漂移比例系数;

对差值ΔdA1,MA和差值ΔdA2,MA进行处理,解算出所述UWB移动标签的二维坐标。

2.如权利要求1所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法,其特征在于,所述利用所述UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧,获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息,包括:

所述UWB移动标签在所述定位区域内广播Poll请求帧以供所述三个基站接收,且所述UWB移动标签记录发送Poll请求帧的时间戳t1,所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Poll请求帧后,分别记录下接收的时间戳a1、b1和c1;

所述UWB移动标签、所述第一从基站和所述第二从基站分别接收所述主基站在时间戳a2时刻广播的所述Response回复帧,并分别记录下接收所述Response回复帧的时间戳t2、b2和c2;

所述UWB移动标签确定发送时间戳t3,并将troundT和treplyT值写入到所述Final终止帧发送缓冲中,其中,troundT=t2-t1,treplyT=t3-t2;

所述UWB移动标签在时间戳t3时广播所述Final终止帧,以供所述三个基站接收,所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Final终止帧后,分别记录下接收的时间戳a3、b3和c3。

3.如权利要求2所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法,其特征在于,所述根据所述时间戳信息,计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离dMA,T,包括:通过以下公式计算出所述主基站到所述UWB移动标签的距离:其中,tsynMA=a3-a1,为所述主基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔;treplyMA=a2-a1,为所述主基站从接收所述Poll请求帧到发送所述Response回复帧的时间间隔;kMA,T为所述UWB移动标签对于所述主基站的时钟漂移比例系数,tMA,T为所述UWB移动标签与所述主基站之间的UWB信号单向传播的时间,dMA,T为所述主基站到所述UWB移动标签的距离值,c为电磁波传播速度值。

4.如权利要求1所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法,其特征在于,所述对差值ΔdA1,MA和差值ΔdA2,MA进行处理,解算出所述UWB移动标签的二维坐标,包括:根据XT=A-1BdMA,T+A-1C,求解所述UWB移动标签的二维坐标(x,y),其中,r2,1=ΔdA1,MA,r3,1=ΔdA2,MA,

K1=x12+y12,K2=x22+y22,K3=x32+y32,所述主基站坐标值(x1,y1),所述第一从基站坐标值(x2,y2),第二从基站坐标值(x3,y3)。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位方法,其特征在于,所述第一从基站和第二从基站安装在所述主基站的可通信区域内。

6.一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位系统,其特征在于,包括主基站、第一从基站、第二从基站、UWB移动标签、交换机以及上位机,主基站、第一从基站和第二从基站不共线布置,且三个基站的通信范围的交集作为定位区域,UWB移动标签布置在定位区域内,三个基站和UWB移动标签经交换机与上位机连接,所述上位机包括第一获取模块、第二获取模块、计算模块和解算模块;

第一获取模块用于获取所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离;

UWB移动标签依次广播Poll请求帧、接收所述主基站发送的Response回复帧以及广播Final终止帧,获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息

第二获取模块用于获取所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息;

计算模块用于根据所述时间戳信息,计算所述主基站到所述UWB移动标签的距离dMA,T;

解算模块用于利用所述时间戳信息、所述dMA,T、所述三个基站的位置坐标以及所述主基站分别到所述第一从基站和第二从基站的距离,计算所述UWB移动标签的坐标,并发送至所述三个基站处;

所述解算模块包括第一差值计算单元、第二差值计算单元和坐标解算单元;

第一差值计算单元用于计算所述UWB移动标签从所述第一从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值ΔdA1,MA:ΔdA1,MA=c×tdoaA1,MA,其中,tdoaA1,MA=treplyMA-treplyA1kMA,A1+dMA,A1/c, treplyA1=b2-b1,表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息;tsynA1=b3-b1,表示第一从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息,dMA,A1表示所述主基站到第一从基站的距离,kMA,A1表示主基站对于第一从基站的时钟漂移比例系数;

第二差值计算单元用于计算所述UWB移动标签从所述第二从基站的距离与所述UWB移动标签到所述主基站的距离之间的差值ΔdA2,MA:ΔdA2,MA=c×tdoaA2,MA,其中,tdoaA2,MA=treplyMA-treplyA2kMA,A2+dMA,A2/c, treplyA2=c2-c1,表示第二从基站接收所述Poll请求帧到接收所述Response回复帧的时间间隔信息;tsynA2=c3-c1,表示所述第二从基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔信息,dMA,A2表示所述主基站到第二从基站的距离,kMA,A2表示主基站对于第二从基站的时钟漂移比例系数;

坐标解算单元用于对差值ΔdA1,MA和差值ΔdA2,MA进行处理,解算出所述UWB移动标签的二维坐标。

7.如权利要求6所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位系统,其特征在于,所述UWB移动标签从广播Poll请求帧至Final终止帧发送完成过程中的时间戳信息包括:所述UWB移动标签在所述定位区域内广播Poll请求帧以供所述三个基站接收,且所述UWB移动标签记录发送Poll请求帧的时间戳t1,所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Poll请求帧后,分别记录下接收的时间戳a1、b1和c1;

所述UWB移动标签、所述第一从基站和所述第二从基站分别接收所述主基站在时间戳a2时刻广播的所述Response回复帧,并分别记录下接收所述Response回复帧的时间戳t2、b2和c2;

所述UWB移动标签确定发送时间戳t3,并将troundT和treplyT值写入到所述Final终止帧发送缓冲中,其中,troundT=t2-t1,treplyT=t3-t2;

所述UWB移动标签在时间戳t3时广播所述Final终止帧,以供所述三个基站接收,所述主基站、所述第一从基站和所述第二从基站接收所述Final终止帧后,分别记录下接收的时间戳a3、b3和c3。

8.如权利要求7所述的一种结合TDOA与TOF的超宽带通信二维定位系统,其特征在于,所述计算模块用于通过以下公式计算出所述主基站到所述UWB移动标签的距离:其中,tsynMA=a3-a1,为所述主基站从接收所述Poll请求帧到接收所述Final终止帧的时间间隔;treplyMA=a2-a1,为所述主基站从接收所述Poll请求帧到发送所述Response回复帧的时间间隔;kMA,T为所述UWB移动标签对于所述主基站的时钟漂移比例系数,tMA,T为所述UWB移动标签与所述主基站之间的UWB信号单向传播的时间,dMA,T为所述主基站到所述UWB移动标签的距离值,c为电磁波传播速度值。